Демону Максвелла помогло квантовое запутывание

Физики показали, что учет квантовых эффектов делает перевод информации в энергию еще эффективнее, чем считалось ранее. Работа пока не принята к публикации, но ее препринт доступен на сайте Корнельского университета. Кратко о результатах исследования пишет блог издания Technology Review.

Авторы рассмотрели один из вариантов известного мысленного эксперимента, предложенного Джеймсом Максвеллом еще в 1867 году. Принципиальным нововведением физиков являлся учет в опыте квантового эффекта запутывания.

Суть эксперимента Максвелла, который с первого взгляда опровергает второе начало термодинамики, заключается в следующем. Пусть у нас есть две емкости с газом, разделенные перегородкой. В начале эксперимента температура в емкостях одинакова, то есть средняя скорость движений частиц газа равна. По Максвеллу, некий демон, знающий о скоростях движения каждой молекулы, может по своему усмотрению временно открывать отверстие в перегородке, пропуская в одну емкость только быстрые частицы, а в другую - только медленные. В результате, температура в одной из емкостей станет больше, чем в другой. По законам термодинамики такое не может произойти самопроизвольно.

Парадокс объясняется тем, что информацию, которой обладает демон, тоже необходимо учитывать в термодинамических расчетах. В данном случае источником энергии, разделяющей газы, становится сама информация о скоростях частиц. Таким образом, демон фактически переводит свои знания о системе в энергию. При этом в цельной системе (включающей в том числе и самого демона) и закон сохранения энергии, и второй закон термодинамики строго выполняются.

В новом виртуальном эксперименте физиков в двух емкостях были не обычные частицы, а квантово запутанные между собой. Измерив скорость только одной из таких частиц, можно получить информацию и о другой. Если все частицы в эксперименте попарно запутаны, это означает, что демону потребуется провести в два раза меньше измерений, чем в случае с классическими частицами. Авторы провели статистические расчеты, учитывающие этот эффект, и показали, что при этом увеличивается эффективность работы такого устройства-демона.

Ранее другая группа физиков сконструировала устройство, имитирующее работу демона Максвелла и переводящее информацию в энергию. Подробнее об этом эксперименте можно прочитать здесь.